Книга: Осязание. Чувство, которое делает нас людьми
Назад: Глава 4 Сексуальные прикосновения
Дальше: Глава 6 Боль и эмоции
Глава 5
Жгучие перцы чили, прохладная мята и летучие мыши-вампиры
Вот вам план: я даю вам рюкзак с пакетами на молнии – часть пакетов содержит свежие листья мяты, а часть – сочные перцы чили-хабанеро. Еще я дам вам папку-планшет, карандаш, пару чистых носков и билет на кругосветное путешествие на самолете. Ваша работа, если вы согласитесь, будет заключаться в том, чтобы путешествовать по миру, заглядывая как в мегаполисы, так и в самые отдаленные поселения в джунглях. Там вам предстоит найти нескольких людей самого разного возраста и материального положения, растереть у них на коже измельченные листья мяты или порезанные кубиками перцы, попросить описать впечатления и записать их ответы. Попытайтесь исследовать ощущения как на гладкой коже губ, так и на волосистой коже рук. (Эти вещества необязательно пробовать на вкус, чтобы испытать нужные эффекты.)
Если провести исследование там, где я живу, то есть в Балтиморе, выяснится, что как на губах, так и на руке ощущения от перца хабанеро описываются в основном словом «жгучие», а от листьев мяты – «прохладные». Что это – просто удобное выражение, разговорный оборот? Ведь если взять термометр и измерить физическую температуру мяты или перцев чили, окажется, что они не холодные и не горячие. А балтиморцы, как и многие другие, часто используют эти слова и их синонимы в метафорическом смысле – например, передают равнодушие («прохладный прием») или сексуальную привлекательность («Рэйчел Вайс – горячая штучка»). Слово «прохладный» в значении «равнодушный» и слово «горячий» в значении «сексуально привлекательный» – метафоры, специфичные для определенного времени и территории. Судя по всему, в шекспировские времена эти значения не были известны. Так что же, «жгучие перцы чили» и «прохладная мята» – тоже локальные метафоры, зависимые от культуры, или же они отражают какую-то глубинную биологическую реальность? Если же это чисто культурные конструкты, то в своем путешествии вы наверняка найдете группы людей, которые не будут называть тактильные ощущения от перца чили жгучими, а от листьев мяты – прохладными.
Но даже если ваше исследование выявит, что подобные фигуры речи широко распространены, будет ли это достаточным доказательством того, что жгучий перец и прохладная мята – биологически детерминированные метафоры? Не вполне. Можно поиграть в адвоката дьявола, предположив, что это результат многовековых глобальных связей: идея жгучего чили и прохладной мяты зародилась в одном месте и благодаря культурным контактам распространилась по всему миру. Различные виды мяты растут по всему земному шару, но перец чили родом из Южной Америки и до европейской колонизации успел попасть лишь в Северную Америку и на острова Карибского бассейна. В Европе, Африке и Азии его не знали, пока Колумб не вернулся из Нового Света. Затем чили стал распространяться благодаря европейцам, преимущественно испанцам и португальцам, которые завозили его в другие свои колонии. Трудно представить, но в Индии и Таиланде острого перца чили не было до XVI века! Сложно сказать, есть ли на земле такие места, куда чили еще не добрался. Поэтому для полного успеха исследования вам понадобится еще и машина времени, которая доставила бы вас, например, в Таиланд XV века, чтобы вы могли поставить опыт и там.
Насколько мне известно, подобное этнографическое (не говоря уже о машине времени) исследование еще предстоит провести, но биологи можно догадаются, чем оно закончится. Учитывая все, что мы знаем о биологии осязания, можно предсказать, что почти все жители Земли назовут перец чили жгучим, а мяту прохладной, пусть даже они испытывают эти осязательные ощущения в первый раз и не будут знакомы с тем, как их описывают другие. Судя по всему, метафоры прохладной мяты и жгучего чили предопределены биологически.
Основной активный ингредиент мяты – ментол, аналогичный ему в перцах чили – капсаицин. В менее острых сортах чили, таких как анахайм, концентрация капсаицина ниже, а в очень острых, таких как бхут джолокия, примерно в тысячу раз больше. Так почему мы биологически предрасположены к тому, чтобы считать ментол холодным, а капсаицин – горячим? Одно из возможных объяснений: в коже есть класс нервных окончаний, которые отвечают за чувство холода, и другой класс – воспринимающих ментол. Сигналы, передающиеся этими разными видами волокон, затем сходятся в мозге: мята и холод воспринимаются одинаково, потому что активируют одну и ту же зону мозга, отвечающую за ощущение холода. Точно так же отдельные нервные окончания, воспринимающие соответственно повышение температуры и капсаицин, могут посылать импульсы в одну и ту же зону восприятия жары.
Иными словами, это гипотеза о конвергенции сигналов в соматосенсорной коре. При всей своей элегантности и кажущейся логичности, она совершенно неверна. Откуда мы это знаем? Во-первых, у нас есть возможность записать электрические сигналы от одного кожного рецептора в руке, реагирующего как на нагревание, так и на капсаицин, и от другого, который реагирует и на ментол, и на охлаждение. Значит, температурные и химические сигналы улавливаются нейронами кожи задолго до поступления сигнала в мозг.
Во-вторых, есть и химические доказательства. В эпидермисе (рис. 2.3) есть свободные нервные окончания, на внешней мембране которых имеется рецептор TRPV1. Это молекула белка, способная реагировать и на нагревание, и на капсаицин, открывая ионный канал – отверстие, через которое поступают положительные ионы, в результате чего сенсорный нейрон начинает испускать электрические импульсы. Есть и свободные нервные окончания с другим рецептором – TRPM8, который реагирует и на ментол, и на охлаждение. Вот и ответ на загадку: метафора эта не только не из области культуры, но даже не из области мозга. Она закодирована в рецепторных молекулах нервных окончаний кожи.
Как развилась такая молекулярная метафора? Как такие терморецепторы, как TRPV1 и TRPM8, выработали чувствительность к продуктам растительного происхождения – капсаицину и ментолу? Точную последовательность эволюционных событий, положивших начало двойной функции этих рецепторов, установить нельзя. Пока самое обоснованное предложение состоит в том, что TRPV1 и TRPM8 развились у определенных видов животных в качестве температурных рецепторов, а некоторые растения впоследствии стали вырабатывать соединения, которые помогали предотвратить их поедание. Растения, содержавшие ментол и капсаицин, получили репродуктивное преимущество и больше шансов на выживание, тем самым добившись численного превосходства своих видов. Этот сценарий предполагает, что именно ботаническая эволюция, а не эволюция животных стала первопричиной развития двойной функции рецепторов.
Дэвид Джулиус и его коллеги по Калифорнийскому университету в Сан-Франциско изучали молекулярные свойства TRPV1 и TRPM8, для чего модифицированные при помощи различных генетических приемов клетки почки или икринки лягушки культивировали в чашке Петри и получали в больших количествах TRPV1 и TRPM8, параллельно записывая электрические сигналы, передаваемые по клеточной мембране при стимуляции данных рецепторов. Исследования показали, что свойства этих молекул способны объяснить некоторые аспекты наших повседневных осязательных впечатлений. Так, масло эвкалиптового дерева выделяет субстанцию эвкалиптол, которая, как и ментол, может активировать TRPM8 и вызывать ощущение прохлады. Вот почему экстракт эвкалипта часто используется в успокаивающих кремах для кожи, ополаскивателях полости рта и пастилках для горла.
Функция этих рецепторов дает о себе знать летним днем на пляже. Слишком долго побыв на солнце, вы рискуете обгореть, что запустит в вашей коже серию воспалительных процессов. Например, образуются химические соединения – простаноиды и брадикинин, снижающие температурный порог активации TRPV1 с 43 до 29,5 °С. В результате, вернувшись домой с пляжа и встав под душ, чтобы смыть с себя песок и остатки крема для загара, вы обнаружите, что обычная вода стала слишком горячей, она обжигает, и хочется сделать воду в ду́ше похолоднее.
Еще один факт подсказывают нам птицы. Если у всех млекопитающих имеется стандартный вариант TRPV1, который активируется и нагреванием, и капсаицином, то птицы к капсаицину совершенно безразличны, поскольку вообще не могут его ощутить. (Зерна в кормушках рекомендуется пересыпать перцем чили, чтобы отвадить белок, енотов и других млекопитающих, – так семена гарантированно достанутся только птицам.) Когда из клетки птицы извлекается ген TRPV1 и помещается в почечную клетку, появляется «птичья» форма TRPV1, которая реагирует на нагревание, но не на капсаицин. Анализ птичьей ДНК указывает на изменение в конкретном месте ее последовательности, которое отвечало за связывание капсаицина и находится на внутренней поверхности внешней клеточной мембраны. Интересно, что растение чили и птицы пришли к своего рода взаимовыгодному сотрудничеству: млекопитающие, поедая чили, обычно измельчают семена молярами, у птиц же вообще нет моляров, так что бо́льшая часть семян проходит через пищеварительную систему нетронутой. При дефекации они распространяют жизнеспособные семена в новых местах. Такое положение дел выгодно как для птиц, так и для перца.
Через несколько лет после обнаружения TRPV1 различные группы ученых использовали генно-инженерный подход, чтобы вывести мышей без TRPV1 и оценить их реакцию на капсаицин и нагревание. Выяснилось, что у этих мышей-мутантов полностью отсутствует и поведенческая, и электрическая реакция на капсаицин, при этом реакция на нагревание хотя и стала менее выраженной, но не исчезла. Например, когда их хвосты помещали в горячую воду (50 °С), мыши их оттуда убирали, но делали это в четыре раза медленнее обычных животных. Точно так же способность повышать восприимчивость к теплу посредством воспаления организма у мышей-мутантов снизилась, но не была полностью утрачена. Эти результаты свидетельствуют, что TRPV1 не единственный рецептор тепла – должны быть и другие.
Вскоре показалось, что удобное объяснение найдено: была открыта целая семья каналов TRPV с разной степенью чувствительности к теплу. Так, TRPV4 и TRPV3 в почечных клетках и чашке Петри реагировали на более низкие температуры, чем TRPV1. Напротив, TRPV2 отвечал за сильную жару (выше 51 °С), что намного выше температурного порога TRPV1. Таким образом, последовательная активация различных каналов TRPV с разными температурными порогами могла потенциально определить спектр значений температуры кожи, встречающихся в реальной жизни, – тепловатая, теплая, горячая, болезненно горячая (рис. 5.1). Помимо свободных сенсорных нервных окончаний, TRPV3 и TRPV4 были также найдены в кератиноцитах – основном типе клеток эпидермиса, в котором заканчиваются свободные нервные окончания. Это позволило предположить, что соседние клетки кожи могут играть вспомогательную роль, способствуя выявлению мягкого тепла свободными нервными окончаниями. TRPV1, один из детекторов именно мягкого тепла, как оказалось, также активируется соединениями, содержащимися во многих специях: камфоре, мускатном орехе, корице, орегано, гвоздике и лавровом листе. Некоторые из этих специй действительно ассоциируются с ощущением тепла. (Например, в детстве я обожал Red Hots – конфеты со вкусом корицы.)
Рис. 5.1 наглядно демонстрирует, что TRPV4 и TRPV3 призваны отвечать за ощущение мягкого тепла, а TRPV2 – за ощущение невыносимой жары. Все вместе эти три дополнительных рецептора TRPV берут на себя остаточное восприятие тепла в тех случаях, когда ген TRPV1 удален или белок TRPV1 блокирован медикаментами. Удивительно, но выведенные в искусственных условиях лабораторные мыши без TRPV3, TRPV4 или TRPV2 (как одного из этих генов, так и различных сочетаний) никак не проявляли сколько-нибудь неполноценного восприятия тепла в самых разных ситуациях. Такой результат позволяет уверенно предположить, что в коже имеется еще больше температурных рецепторов, которые мы пока не выявили, и, скорее всего, это молекулы, не относящиеся к семейству генов TRPV.
Рис. 5.1. Семейство чувствительных к температуре TRP-рецепторов может реагировать на нагревание, охлаждение и различные острые химические соединения, содержащиеся в растениях. На рисунке каждый TRP-рецептор размещен в том месте температурной шкалы, где он начинает реагировать на нагревание или охлаждение кожи. Нужно помнить, что, хотя средняя температура тела составляет около 99 °F (37,2 °С), температура в эпидермисе поддерживается на уровне 90 °F (32,2 °С). Хотя TRP-рецепторы не идентичны, у них есть общие свойства: так, все они по шесть раз пронизывают клеточную мембрану и имеют петлевидную структуру, что позволяет им формировать в мембране ионный канал. Здесь показана молекулярная структура каждого TRP-рецептора. Стоит отметить, что точки термальной активации всех этих рецепторов не являются жестко закрепленными, а варьируют от клетки к клетке. Адаптировано из: Vay l., Gu C., McNaughton P. A. The thermo-TRP ion channel family: properties and therapeutic implications // British Journal of Pharmacology 165. 2012. 787–801, с разрешения издательства Wiley
С ощущением прохлады также не все понятно. У выведенных при помощи генной инженерии мышей без гена TRPM8 полностью отсутствовала реакция на ментол и эвкалиптол на коже и была частично снижена способность реагировать на умеренное охлаждение. Однако если реакция на умеренное охлаждение (ниже 25 °С) сильно снизилась, то реакция на сильное охлаждение (ниже 14,5 °С) никак не изменилась. Подобно частичному эффекту от удаления TRPV1, этот результат свидетельствует о наличии дополнительных молекулярных рецепторов холода, на случай особенно сильного охлаждения, но их еще предстоит найти.
При втирании в кожу мята вызывает ощущение прохлады, а перцы чили кожу жгут. А какое впечатление производит хрен или его японский родственник – васаби? Они не то чтобы жгучие, а скорее теплые. Васаби, хрен и желтая горчица содержат соединение AITC (аллилизотиоцианат, или аллиловое горчичное масло), которое активирует еще один рецептор все того же семейства TRP под названием TRPA1. В ту же группу соединений входят аллицин и DADS (диаллилдисульфид), которые есть в чесноке и луке и отвечают за ощущения, возникающие на коже от соприкосновения с этими растениями, в том числе и за слезы, которые появляются при активации TRPA1 в роговице.
Когда в 1980-е годы я жил в Чикаго, на Холстед-стрит был отличный итальянский бар. Там подавали пареный чеснок, который можно было намазать на хрустящий хлебец и запить пивом Moretti. Блюдо готовили так: аккуратно удаляли шелуху и всю головку готовили на пару. Только после полной готовности повар разрезал ее по «экватору» на две части, и клиент специальным тонким ножиком выковыривал нежную мякоть из каждого зубчика. Повара с давних пор знают, что едкие соединения, которые содержатся в чесноке и луке и вызывают раздражение кожи и глаз, образуется только при разрезании или измельчении овоща.
Рис. 5.2. Рецептор TRPA1, которому дали прихотливое название «рецептор васаби», активируется множеством едких соединений, содержащихся в растениях – прежде всего в васаби, хрене и желтой горчице, а также в структурно схожих продуктах (от лука до чеснока), и совершенно иным соединением – олеоканталом из оливкового масла первого отжима. Интересно, что несколько различных семейств растений, например капустные (васаби, хрен, горчица) и луковые (репчатый лук, чеснок, порей, шалот), независимо друг от друга выработали соединения, активирующие TRPA1, скорее всего для отпугивания животных, хотя эти соединения обладают и противомикробными свойствами. Адаптировано из: Vay l., Gu C., McNaughton P. A. The thermo-TRP ion channel family: properties and therapeutic implications // British Journal of Pharmacology 165. 2012. 787–801, публикуется с разрешения издательства Wiley
Если луковица не повреждена, энзим, вырабатывающий аллицин и родственные ему едкие вещества, остается запертым в специальных отсеках растительных клеток и не выходит наружу. Аллицин и DADS к тому же частично разлагаются при высокой температуре. Это значит, что если готовить лук или чеснок целиком, то концентрация едких соединений, активирующих TRPA1, окажется ниже, раздражения кожи и глаз почти не будет, так что в результате получится мягкая, нежная закуска.
Желтодревесник (Zanthoxylum) называют еще «зубным деревом», потому что его сок и ягоды вызывают во рту онемение и покалывание и снимают зубную боль. Ягоды желтодревесника именуются сычуаньским перцем и ценятся за свой острый вкус, что они придают блюдам, которые готовят в китайской провинции Сычуань. Такое покалывание свидетельствует о взаимодействии сенсорных нейронов. И в Восточной Азии, и в Северной Америке препараты из желтодревесника (он же перечное дерево) используются в народной медицине как антисептик и болеутоляющее. Активный ингредиент перечного дерева называется гидроксиальфасаншул. Учитывая все, что мы узнали о действии других растительных соединений на сенсорные нейроны в коже, логично предположить, что гидроксиальфасаншул активирует какие-то TRP-каналы в клетках кожи. Однако это не так. Гидроксиальфасаншул возбуждает сенсорные нейроны иным образом – блокирует ионный канал, так называемый двухпорный калиевый канал. В обычных условиях по этому каналу из нейрона медленно выходят положительно заряженные ионы; если же канал блокирован, то в клетке быстро накапливается положительный заряд, она начинает испускать импульсы и, соответственно, направлять сигналы в мозг. Среди нейронов, активируемых препаратами перечного дерева, есть входящие в тактильные С-волокна, которые передают информацию о легких приятных прикосновениях, и в тельца Мейснера, проводящие информацию о вибрации на умеренных частотах. Не вполне понятно, почему активация этих нейронов вызывает ощущение покалывания.
Летучие мыши-вампиры – удивительные животные, и не только из-за их звездных ролей в фильмах ужасов. Мы уже немного говорили о них в контексте социального груминга, когда они делятся друг с другом пищей, а именно кровью (глава 1). Сейчас мы обратимся к их тактильной специализации, помогающей им находить пищу. Вампиры занимают уникальную экологическую нишу: это единственные известные нам млекопитающие, которые питаются только кровью теплокровных животных (других млекопитающих и птиц). Некоторые летучие мыши едят насекомых или фрукты, но вампиры способны глотать только жидкость и скорее умрут от голода, чем попробуют твердую пищу. Вампиры летают, высматривая жертву, и обычно приземляются ей на спину или на шею. Затем они начинают искать подходящее место для осторожного укуса и извлекают из ранки примерно две чайные ложки крови. Важно, чтобы место будущего укуса не было покрыто густой шерстью или мехом, а кровеносные сосуды находились относительно близко к коже. Поиски кровеносного сосуда – тот случай, когда умение определять тепло на расстоянии особенно важно. Людвиг Кюртен и Уве Шмидт из Боннского университета провели в лаборатории опыт с летучими мышами-вампирами и выяснили, что они улавливают инфракрасное излучение, испускаемое кожей человека, на расстоянии примерно 15 см.
У многих видов летучих мышей есть особый вырост на морде – носовой листок, который, как предполагают, помогает осуществлять эхолокацию для поиска жертвы. Но только у вампиров носовой листок окружают три обонятельные ямки (рис. 5.3). Кожа в этих ямках тонкая, безволосая, на ней отсутствуют лимфатические узлы – словом, идеальное место для размещения инфракрасных рецепторов. От других частей морды ямки отделены слоем плотной соединительной ткани, которая служит термоизоляцией. Поэтому температура обонятельных ямок составляет 84 °F (29 °C), что гораздо ниже температуры остальной кожи – 99 °F (37,2 °С). Это позволяет рецепторам тепла в обонятельных ямках улавливать разницу между теплом жертвы и собственным теплом летучей мыши.
Какой же рецептор используют вампиры для выявления инфракрасного излучения?
Как мы уже знаем, TRPV1 у людей и мышей может определять температуру выше 43 °С, но совершенно очевидно, что такой чувствительности недостаточно. Чтобы обнаружить инфракрасный рецептор у вампиров, Дэвид Джулиус, Елена Грачева и их коллеги поставили хитрый эксперимент. Они взяли вампиров и плодоядных крыланов (неспособных улавливать инфракрасное излучение). Затем они осторожно вырезали кластеры клеточных тел нейронов в лицевой части (в тройничном узле) и проанализировали в них экспрессию гена TRPV1. Выяснилось, что там содержатся два разных варианта белка TRPV1: длинная форма, имеющая обычный температурный порог 43 °С, и короткая, активируемая при гораздо более низкой температуре – около 30 °С, что лишь ненамного превышает температуру обонятельных ямок в состоянии покоя. В тройничном узле крыланов нашлась только длинная форма TRPV1, а у вампиров присутствуют обе, примерно в одинаковых количествах.
Рис. 5.3. Модифицированная сверхчувствительная форма TRPV1 позволяет летучим мышам-вампирам улавливать инфракрасное излучение. (А) Летучие мыши-вампиры, способные улавливать инфракрасное излучение, обладают обонятельными ямками (на них указывают стрелки), а крыланы их не имеют и инфракрасное излучение не воспринимают. (В) Аминокислотная последовательность карбокситерминальной части двух форм белка TRPV1 (получаемых в результате альтернативного сплайсинга мРНК) – короткой, сверхчувствительной к жаре, и длинной, отвечающей за нормальную чувствительность. Короткая форма сильнее всего продуцируется в нейронах тройничного узла, находящихся в лицевой части (в том числе и в обонятельных ямках), и гораздо слабее – в нейронах спинномозговых ганглиев, проходящих по телу летучей мыши. (С) При искусственной наработке белка в почечных клетках, выращенных в чашке Петри, сверхчувствительная форма TRPV1 начинает активироваться при температуре 30 °С, в то время как длинная форма активируется при температурах выше 43 °С. Адаптировано из: Gracheva E. O., Cordero-Morales J. F., González-Carcacía J. A., Ingolia N. T., Manno C., Aranguren C. I., Weissman J. S., Julius D. Ganglion-specific splicing of TRPV1 underlies infrared sensation in vampire bats // Nature 476. 2011. 88–91, с разрешения Nature Publishing Group
В результате оказалось, что летучие мыши-вампиры развили сверхчувствительную форму TRPV1, которая помогает им улавливать инфракрасное излучение и тем самым искать пищу. Но что это значит для остального организма? Ведь вампиру нужно чувствовать тепло и другими органами. Когда было проведено исследование спинномозговых ганглиев вампиров – кластеров нейронов, которые проходят не по лицевой части тела, оказалось, что в них содержатся лишь следовые количества сверхчувствительной короткой формы TRPV1. Это объясняет, почему вампиры сохраняют обычную температурную чувствительность других участков тела, не принимающих участия в поиске крови для пищи.
Уверен, что вы когда-либо задавались вопросом: если ослепить гремучую змею, сможет ли она ужалить жертву? Благодаря группе бесстрашных исследователей во главе с Питером Хартлайном из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне мы знаем ответ на этот вопрос. Исследователи (осторожно) завязали глаза гремучим змеям и поместили их на возвышение в центре круглого загона. Затем они побудили их к нападению, пошевелив источником тепла (горячим паяльником), симулируя движение теплокровного животного. Паяльник ставили под различным углом к змее чуть дальше расстояния ее броска (примерно в 90 сантиметрах). Даже с завязанными глазами змея делала бросок в нужном направлении, отклоняясь от цели всего градусов на пять. Авторы исследования отмечают: «Это очень впечатляет и для какой-нибудь мыши означает неминуемую смерть».
Как гремучей змее это удается? Дело не в обонянии: змеи так же точно попадают в теплый, но ничем не пахнущий объект (или обернутый не пропускающим запах чехлом). Но если поместить теплый объект за стеклом, препятствующим распространению инфракрасного излучения, точные атаки прекратятся. Итак, как и летучие мыши-вампиры, гремучие змеи улавливают инфракрасное излучение, испускаемое теплыми объектами, но гремучие змеи обладают гораздо большей чувствительностью: они способны уловить излучение с метровой дистанции, вампиры же – всего с 15 сантиметров. Орган, который отвечает за чувствительность гремучей змеи к инфракрасному излучению, называется ямкой. Это небольшое углубление между глазом и ноздрей (рис. 5.4). Если ямки на обеих сторонах прикрыты или повреждены, то гремучие змеи уже не способны успешно атаковать в темноте или с повязкой на глазах. И это не единственные змеи, улавливающие инфракрасное излучение, а лишь один вид подсемейства ямкоголовых (Crotalinae), которое включает мокасиновых змей, копьеголовых змей и бушмейстеров в обеих Америках и храмовых куфий и китайских щитомордников в Азии.
Их ямки функционируют как фотокамеры с точечной диафрагмой. Спереди небольшая апертура, сзади – тонкая чувствительная к инфракрасному излучению мембрана, так сильно натянутая, что по обеим ее сторонам имеется воздушное пространство. Рис. 5.4Б показывает, как апертура ямки ограничивает инфракрасное излучение таким образом, что его источник из конкретной точки пространства воздействует лишь на небольшой участок ямочной мембраны, тем самым позволяя ямке сформировать картину инфракрасного мира с низким разрешением. Ямочная мембрана содержит около 7000 сенсорных волокон тройничного узла змеи, которые передают информацию о ее инфракрасной карте мира в часть мозга, именуемую оптическим тектумом, где эта информация сливается с визуальной информацией, так что визуальная и инфракрасная карты накладываются друг на друга (рис. 5.4В).
Рис. 5.4. Гремучая змея при помощи ямки на голове, которая содержит модифицированную сверхчувствительную к температуре форму TRPА1, может улавливать инфракрасное излучение. (А) Ямка расположена между глазом и ноздрей. (В) Разрез ямки показывает, что она функционирует как своеобразная фотокамера с точечной диафрагмой, позволяя локализовать жертву. Нервные волокна из клеток тройничного узла расходятся по ямочной мембране, которая натянута, как барабан, создавая заполненное воздухом пространство. (С) Соответствие визуального (сверху) и инфракрасного (снизу) сенсорных миров гремучей змеи. Эти два потока информации взаимодействуют и сочетаются в мозге змеи. Отметим, что змея при помощи органов восприятия инфракрасного излучения в состоянии определить смутный силуэт теплокровного кролика, даже если жертва скрыта кустами или просто темнотой. Способность змеи улавливать инфракрасное излучение заключается не только в возможности отличать более теплые объекты на холодном фоне, но и более холодные объекты на теплом фоне – как, например, лягушку, выпрыгнувшую из пруда на согретую солнцем траву. (D) TRPA1 у гремучей змеи генетически модифицирован, так что его можно активировать при температурах выше 30 °С. TRPA1 у крысиной змеи, не обладающей способностью воспринимать инфракрасное излучение, лишь слабо активируется при нагревании, а человеческий TRPA1 не активируется вовсе. Рисунки А, Б и Г адаптированы из: Gracheva E. O., Ingolia N. T., Kelly Y. M., Cordero-Morales J. F., Hollopeter G., Chesler A. T., Sánchez E.E., Perez J. C., Weissman J. S., Julius D. Molecular basis of infrared detection by snakes // Nature 464. 2010. 1006–1011, с разрешения Nature Publishing Group. Рисунок В адаптирован из: Newman E. A., Hartline P. H. The infrared «vision» of snakes // Scientific American 246. 1982. 116–127., с разрешения Macmillan Publishers
Возможно, молекулярный рецептор, который отвечает за восприятие инфракрасного излучения в ямках гремучей змеи, – это та же сверхчувствительная форма TRPV1, что и у летучих мышей-вампиров? Но, изучив тройничные узлы, в которых находятся сенсорные нейроны, иннервирующие ямки змей, Дэвид Джулиус с коллегами убедились, что форма TRPV1 здесь обычная и восприятие змеей инфракрасного излучения объясняется не им. Зато они обнаружили в том же тройничном узле четырехсоткратное превышение по рецептору васаби – TRPA1. Это был удивительный результат, ведь у млекопитающих TRPA1 вообще не реагирует на нагревание. Когда человеческий и змеиный TRPA1 были выращены в почечных клетках, выяснилось, что змеиный TRPA1 активируется уже при температуре 30 °С, а человеческий к жаре почти не чувствителен. У крысиных змей, не обладающих лицевыми органами восприятия инфракрасного излучения, форма TRPA1 имеет слабую чувствительность к теплу. Мы считаем TRPA1 лишь рецептором васаби только потому, что сначала изучали его у млекопитающих. При более «змеецентричном» подходе нам следовало бы определить TRPA1 как температурный сенсор, который может также активироваться васаби и чесноком.
Боа и питоны – змеи, которые появились миллионов лет на 30 раньше, чем ямкоголовые. У них тоже есть ямки, улавливающие инфракрасное излучение, обычно по тринадцать с каждой стороны головы. Расположены они в два ряда – один сверху от рта, другой снизу. Отверстия этих ямок ничем не стянуты, так что они работают не как фотокамеры. Вместо этого у каждой ямки есть свое поле обзора, в зависимости от ее положения на голове змеи. Поведенческие тесты позволяют утверждать, что питоны и боа не так чувствительны к инфракрасному излучению, как гремучие змеи. Потому неудивительно, что и TRPA1 питонов оказался менее чувствителен, чем его аналог у гремучих змей, но более чувствителен, чем TRPA1 крысиных змей. При сравнении последовательностей генов TRPA1 у людей, питонов и гремучих змей оказывается, что модификация гена TRPA1, в результате которой этот рецептор стал воспринимать тепло, происходила у змей дважды в ходе эволюции: сначала у древних питонов и боа, затем у более современных ямкоголовых видов. Иногда процессы случайных мутаций и естественного отбора приводят к сходным молекулярным и структурным решениям (таких, как чувствительность к инфракрасному излучению) у разных организмов, но между этими решениями могут лежать миллионы лет. Таков удивительный процесс конвергентной эволюции.
Не все животные используют рецепторы инфракрасного излучения для поиска добычи. Например, большинство животных убегают или улетают от лесных пожаров, а вот живущие в Северной Америке златки пожарные (Melanophila), напротив, летят им навстречу. Но движет ими не стремление к самоуничтожению. Они прилетают на место пожара, как только догорит огонь, и спариваются в теплом пепле. Затем самка откладывает яйца под обугленную кору сосен. Когда следующим летом на свет появляются личинки златок, они питаются обгорелой корой. (У живых деревьев есть механизмы химической защиты, благодаря которым личинки воспринимают кору как несъедобную.) В некоторых случаях внимание златок привлекали другие «горячие точки» – например, заводы или даже футбольные стадионы, где курили тысячи болельщиков. Вероятно, самое известное их нашествие приключилось в 1925 году в Калифорнийской долине. Когда у города Коалинга загорелась цистерна с нефтью, на нее полетели полчища златок. Газеты писали, что в Коалингу прилетели миллионы насекомых, которые оставались там еще несколько дней после окончания пожара.
Поскольку Коалинга находится в засушливой долине, можно предположить, что златки прилетели откуда-то с западных отрогов Сьерра-Невады, примерно в 130 километрах от города. У этих насекомых имеется по одной ямке, отвечающей за восприятие инфракрасного излучения, на обеих сторонах брюшка. Много лет спустя, когда Гельмут Шмиц и Герберт Бузак из Боннского университета провели вычисления для оценки уровня инфракрасного излучения, которое поступило на эти рецепторы с расстояния 130 километров, оказалось, что этот уровень так низок, что сливается с тепловым шумом, производимым самим организмом златки. Нервная система этого жучка выполняет сложную инженерную задачу, чтобы извлечь столь слабый сигнал и с его помощью запустить механизм миграции. Пока мы не знаем, используются ли в инфракрасных рецепторах златок TRPV1, как у летучих мышей-вампиров, TRPA1, как у гремучих змей, или что-то другое – возможно, вообще не принадлежащее к семейству TRP.
Если вбить в поиск по картинкам слово paradise, или «рай», монитор заполнится сотней различных изображений с видами тропических пляжей. Как это объяснить? Частично тем, что тропический пляж для людей, живущих в благополучных странах, часто символизирует место ленивого отдыха. Но почему же тогда при запросе «рай» не выдаются другие популярные места проведения отпуска – например, Нью-Йорк, Диснейленд, лыжные курорты? Причина в погоде: рай – это место, где нашему организму не приходится работать на износ для поддержания температуры тела в оптимальном диапазоне. Люди, как и другие гомойотермные животные (млекопитающие и птицы), не способны выдержать отклонение от оптимальной температуры более чем на несколько градусов. Если слишком жарко, мы предпринимаем как рефлекторные, так и сознательные действия: потеем, пьем холодные напитки или прыгаем в бассейн, чтобы охладиться. Если нам холодно, мы ежимся, надеваем свитер, у нас сужаются сосуды. Эти гомеостатические рефлексы и сознательные действия требуют постоянного контроля над температурой окружающего мира, воспринимаемой кожей. Нам нужно знать, когда наша кожа слишком холодная и горячая, так что требуется физиологическая реакция для поддержания температуры в естественных узких рамках. Порог TRPM8 и TRPV1 у человека прекрасно подходит для этой задачи: TRPM8 активируется при температуре ниже 25,5 °С, а TRPV1 – выше 43 °С.
Если пороги активации TRPM8 и TRPV1, отвечающих за восприятие холода и жары соответственно, действительно предназначены для того, чтобы помочь нам поддерживать нормальную температуру тела, можно ожидать, что у животных, чья естественная температура тела отличается от нашей, эти пороги тоже будут иными. И действительно, когда у курицы, крысы и лягушки (гладкой шпорцевой лягушки Xenopus laevis) для искусственного получения каналов TRPM8 взяли отвечающий за его продукцию участок ДНК, оказалось, что порог активации TRPM8 у курицы слегка выше – 30 °С, при нормальной температуре 41,7 °С. Лягушка – существо негомойотермное, и ей, соответственно, достаточно чувствовать только сильный холод. Поэтому порог TRPM8 у нее ниже: ген активируется лишь при температурах ниже 19 °С (рис. 5.5).
Если говорить об ощущении нагрева, то и здесь порог, судя по всему, зависит от температуры тела. Например, у человека TRPV1 активируется при температуре свыше 43 °С, а у полосатой гиреллы – негомойотермной рыбы – уже при 33 °С. Итак, пороги восприятия холода и жары у различных животных не случайны. Они соответствуют условиям терморегуляции, необходимой животным для нормального физиологического функционирования.
Рис. 5.5. Порог реакции TRPM8 на охлаждение коррелирует с нормальной температурой тела. Эти кривые температурных реакций для искусственно полученных белков TRPM8 лягушки, крысы и курицы. Адаптировано из: Myers B. R., Sigal Y. M., Julius D. Evolution of thermal response properties in a cold-activated TRP channel. PLOS One. 2009. E5741, статья находится в открытом доступе и распространяется по лицензии Creative Commons, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение при условии указания автора и источника
Много лет назад поздней осенью я гостил в Огайо у бывшей жены своего брата. Когда я проснулся в гостевой комнате на первом этаже, было ужасно холодно. Закутавшись, я пошел наверх и проверил термостат. Он был установлен на 11 °С, и хозяйка чувствовала себя вполне комфортно: она разгуливала по кухне в футболке и шортах. На следующий год я привез с собой переносной обогреватель для гостевой комнаты. А один мой друг так сильно топит в доме, что от жары деформируются дверные косяки, и вы не удивились бы, увидев на паркете выбеленные солнцем кости койота.
В чем причина таких экстремальных температурных предпочтений у людей? Мы знаем, что люди с тонким слоем подкожного жира предпочитают более высокую температуру, что вполне понятно с точки зрения терморегуляции. Известно также, что физически более активные люди (даже если вся эта активность сводится к беспокойному ерзанью) благодаря сокращениям мышц производят больше тепла и им подходят более прохладные условия. Отчасти этим можно объяснить, почему дети и подростки не любят надевать пальто. Кроме того, существуют циклические изменения температуры тела в течение дня, а с нею изменяется и предпочтительная температура среды. Но как объяснить индивидуальные расхождения: различаются молекулы, отвечающие за температурное восприятие, или нейронные цепи в коже и головном мозге? Передаются ли температурные предпочтения по наследству? Пока лучший ответ на все эти вопросы – «возможно».
Мы знаем, что различные виды животных могут иметь по нескольку вариантов TRPV1 и TRPM8, настроенных на разные температуры. Также и для крыс, и для людей доказано, что препараты, блокирующие TRPV1, способны привести к перегреву (повышению температуры тела), как и препараты, активирующие TRPM8. Кроме того, у людей встречается редкая рецессивная мутация под названием WNK1/HSN2. Две копии этого мутировавшего гена вызывают тяжелую дегенерацию сенсорных нейронов, но носители мутации в одной копии гена этому не подвержены.
Однако точное измерение порогов выявления жары и холода показало, что у носителей WNK1/HSN2 они оба немного сдвинуты вниз по температурной шкале по сравнению с контрольной группой того же возраста и пола. Впрочем, ожидаемый результат (доказательство того, что генетические вариации в TRPV1 и TRPM8 у человека могут частично отвечать за индивидуальные температурные предпочтения) пока еще не достигнут. Я, конечно, сильно подозреваю, что у бывшей жены моего брата ген TRPM8 как у лягушки, но пока это не доказано.
Назад: Глава 4 Сексуальные прикосновения
Дальше: Глава 6 Боль и эмоции
